Nowe podejście do projektowania czujników

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Paweł Malinowski, kierownik programu w firmie imec, spotkał się z Semiconductor Engineering, aby omówić, co i dlaczego zmienia się w technologii czujników. Poniżej znajdują się fragmenty tej dyskusji.

SE: Co dalej z technologią czujników?

Malinowskiego: Próbujemy znaleźć nowy sposób tworzenia czujników obrazu, ponieważ chcemy wyjść poza ograniczenia fotodiody krzemowe. Krzem to doskonały materiał, zwłaszcza jeśli chcesz odtworzyć ludzki wzrok, ponieważ jest wrażliwy na widzialne długości fal światła, co oznacza, że możesz zrobić to samo, co ludzkie oko. A dziedzina ta jest obecnie na etapie bardzo dojrzałym. Rocznie sprzedaje się około 6 miliardów czujników obrazu. To chipy, które trafiają do aparatów smartfonów, samochodów i innych aplikacji. Są to typowe standardowe przetworniki obrazu, w których zastosowano obwody oparte na krzemie lub elektronikę i fotodiodę krzemową. Zasadniczo odtwarzają kolor czerwony/zielony/niebieski (RGB), dzięki czemu możemy uzyskać ładne zdjęcia. Jeśli jednak spojrzymy na inne długości fal – na przykład na promieniowanie UV lub podczerwień – dostrzeżemy zjawiska lub informacje, których nie można uzyskać w świetle widzialnym. Zwracamy szczególną uwagę na zakres podczerwieni. Mówimy tam o konkretnym zakresie, mieszczącym się w przedziale od jednego mikrona do dwóch mikronów, który nazywamy krótkofalową podczerwienią. Dzięki temu zakresowi możesz przejrzeć wszystko. Na przykład możesz widzieć przez mgłę, dym lub chmury. Jest to szczególnie interesujące w zastosowaniach motoryzacyjnych.

SE: Jakieś nadchodzące wyzwania lub nowe zastosowania tej technologii?

Malinowskiego: Nie można używać krzemu dla tej długości fali, ponieważ staje się przezroczysty. Jest to interesujące na przykład przy kontroli defektów, gdy patrzymy na pęknięcia w krzemowych ogniwach słonecznych. Masz różne kontrasty niektórych materiałów. Materiały, które w zakresie widzialnym wyglądają dokładnie tak samo, mogą mieć różny współczynnik odbicia w krótkofalowej podczerwieni, co oznacza, że można uzyskać lepszy kontrast, na przykład podczas sortowania tworzyw sztucznych lub żywności. Istnieją inne zastosowania, jak pokazano na rysunku 1 (poniżej). To moc światła przechodzącego przez atmosferę ze słońca. Szarość jest ponad atmosferą, a pusta jest tym, co dociera do ziemi. I widzisz, że są pewne maksima i minima. Minima są związane z absorpcją wody w atmosferze. Minima te możesz wykorzystać pracując np. z systemami aktywnej eliminacji, co oznacza, że emitujesz trochę światła i sprawdzasz, co się odbija. Tak działa Face ID w iPhonie – emitujesz światło i sprawdzasz, co wróci. Działają w zakresie około 940 nanometrów. Jeśli wybierzesz dłuższe fale – na przykład 1,400 – będziesz mieć znacznie niższe tło, co oznacza, że możesz uzyskać znacznie lepszy kontrast. Jeśli następnie przejdziesz do długości fal, w których jest jeszcze dość dużo światła, możesz użyć go z oświetleniem pasywnym, aby uzyskać dodatkowe informacje, takie jak obrazowanie przy słabym świetle, gdzie wciąż jest trochę fotonów.

Ryc. 1: Możliwości podczerwieni o krótkich falach. źródło: imec

SE: Jak to ustaliłeś?

Malinowskiego: Sprawdziliśmy, jak uzyskać dostęp do tych długości fal. Krzem ze względu na swoje właściwości fizyczne nie nadaje się do tego. Tradycyjny sposób polega na wiązaniu, w którym bierzesz inny materiał — na przykład arsenek indu i galu lub tellurek rtęci i kadmu — i łączysz go w obwodzie odczytowym. To jest technologia dominująca. Jest często używany w zastosowaniach obronnych, wojskowych i zaawansowanych zastosowaniach przemysłowych lub naukowych. To jest drogie. Czujniki wykonane przy użyciu tej technologii kosztują zwykle kilka tysięcy euro ze względu na proces łączenia i koszty produkcji. Można wyhodować potrzebny materiał, na przykład german, ale jest to dość trudne i istnieją pewne problemy z uzyskaniem wystarczająco niskiego poziomu hałasu. My podążamy trzecią drogą, czyli deponowaniem materiału. W tym przypadku używamy albo materiałów organicznych, albo kropek kwantowych. Bierzemy materiał, który może absorbować to krótkofalowe światło podczerwone lub bliskiej podczerwieni, i osadzamy go standardowymi metodami, takimi jak powlekanie wirowe, i otrzymujemy bardzo cienkie warstwy. Dlatego tę kategorię czujników nazywamy „czujnikami fotodetektorowymi cienkowarstwowymi”, których materiał jest znacznie bardziej chłonny niż krzem. Wygląda jak naleśnik na górze obwodu odczytu.

SE: Jak to wypada w porównaniu z innymi materiałami?

Malinowskiego: Jeśli porównać to do diod krzemowych, potrzebują znacznie większej objętości i znacznie większej głębokości. Zwłaszcza w przypadku dłuższych fal stają się po prostu przezroczyste. Z kolei czujniki obrazu z cienkowarstwowymi fotodetektorami (TFPD) składają się ze stosu materiałów, w tym materiałów fotoaktywnych, takich jak materiały organiczne z kropkami kwantowymi, zintegrowanych monolitycznie, co oznacza, że jest to jeden chip. Na wierzchu silikonu nie ma żadnego wiązania. Problem z tym podejściem polegał na tym, że gdy fotodioda jest zintegrowana na górze metalowej elektrody, bardzo trudno jest uzyskać wystarczająco niski poziom szumu, ponieważ istnieją pewne nieodłączne źródła szumu, których nie można się pozbyć.

Ryc. 2: Fotodetektor cienkowarstwowy. źródło: imec

SE: Jak to rozwiązaliście?

Malinowskiego: Śledziliśmy rozwój krzemowych czujników obrazu pod koniec lat 1980. i 1990. XX wieku, kiedy wprowadzono fotodiody z pinami. Oddzielasz obszar fotodiody, w którym fotony są przekształcane, i odczyt. Zamiast mieć tylko jeden styk tego cienkowarstwowego absorbera do odczytu, wprowadzamy dodatkowy tranzystor. Jest to TFT, który dba o całkowite wyczerpanie struktury, abyśmy mogli przenieść wszystkie ładunki wytworzone w tym cienkowarstwowym absorberze i przenieść je za pomocą tej struktury tranzystorowej na odczyt. W ten sposób znacznie ograniczamy źródła hałasu.

SE: Dlaczego hałas jest problemem w projektowaniu czujników?

Malinowskiego: Istnieją różne źródła hałasu. Szum może oznaczać całkowitą liczbę niepożądanych elektronów, ale elektrony te mogą pochodzić z różnych źródeł lub z różnych powodów. Niektóre są związane z temperaturą, inne z niejednorodnością chipa, inne z wyciekiem tranzystora i tak dalej. Dzięki takiemu podejściu pracujemy nad niektórymi źródłami szumów związanymi z odczytem. W przypadku wszystkich przetworników obrazu mamy do czynienia z szumem, ale istnieją różne sposoby radzenia sobie z nim. Na przykład krzemowe czujniki w iPhonie radzą sobie ze źródłami szumów o specyficznej konstrukcji obwodu odczytu, których architektura sięga lat 80. i 90. XX wieku. Oto fragment tego, co próbowaliśmy odtworzyć za pomocą nowej kategorii czujników obrazu wykorzystujących fotodetektory cienkiego pola. To zastosowanie starych sztuczek projektowych w nowej kategorii czujnika.

SE: Jak myślisz, gdzie zostanie to wykorzystane? Wspomniałeś o motoryzacji. Czy sprawdziłoby się to również w przypadku wyrobów medycznych?

Malinowskiego: Największy nacisk na tę technologię stanowi elektronika użytkowa, taka jak smartfony. Jeśli wybierzesz dłuższe fale, możesz uzyskać niższy kontrast, ponieważ po prostu jest mniej światła na tej długości fali, lub możesz zobaczyć to światło tego koloru w atmosferze. Jest to widzenie rozszerzone, co oznacza, że widzisz więcej, niż ludzkie oko, więc w aparacie znajdują się dodatkowe informacje. Innym powodem jest to, że dłuższe fale łatwiej przepuszczają się przez niektóre wyświetlacze. Obiecuje się, że jeśli masz tego rodzaju rozwiązanie, możesz umieścić czujnik, taki jak Face ID, za drugim wyświetlaczem, co może zwiększyć obszar wyświetlania.

Ryc. 3: Rozszerzone widzenie dla większego bezpieczeństwa. źródło: imec

Innym powodem jest to, że jeśli korzystasz z dłuższych fal, twoje oko jest znacznie mniej wrażliwe – około pięć lub sześć rzędów wielkości w porównaniu z długościami fal bliskiej podczerwieni, co oznacza, że możesz używać mocniejszych źródeł światła. Dzięki temu możesz strzelać z większą mocą, co oznacza, że możesz mieć większy zasięg. W przypadku motoryzacji możesz uzyskać dodatkową widoczność, szczególnie w niesprzyjających warunkach pogodowych, np. widoczność przez mgłę. W medycynie mogłoby to pomóc w postępie miniaturyzacji. W niektórych zastosowaniach, takich jak endoskopia, dotychczasowa technologia wykorzystywała inne materiały i bardziej złożoną integrację, dlatego miniaturyzacja jest dość trudna. Dzięki podejściu kropki kwantowej można tworzyć bardzo małe piksele, co oznacza wyższą rozdzielczość w kompaktowej obudowie. Umożliwia to dalszą miniaturyzację przy zachowaniu wysokiej rozdzielczości. Ponadto, w zależności od tego, na jaką długość fali się skupiamy, możemy uzyskać bardzo wysoki kontrast wody, co jest jednym z powodów zainteresowania przemysłu spożywczego. Wilgoć można lepiej wykryć na przykład w produktach zbożowych, takich jak zboża.

Rys. 4: Potencjalne zastosowania Źródło: imec

SE: Czy przy lepszym widzeniu w słabym świetle może mieć zastosowanie wojskowe?

Malinowskiego: Tego rodzaju czujniki są już wykorzystywane przez wojsko, na przykład do wykrywania dalmierzy laserowych. Różnica jest taka, że wojsko nie ma nic przeciwko płaceniu za aparat fotograficzny 20,000 XNUMX euro. Właśnie z tego powodu w branży motoryzacyjnej lub konsumenckiej nawet nie bierze się pod uwagę tej technologii.

SE: Zatem przełom polega na tym, że można mieć coś, co już istnieje, ale można to mieć po cenach na skalę konsumencką?

Malinowskiego: Dokładnie. Ze względu na miniaturyzację, a także sposób, w jaki monolityczna integracja pozwala na udoskonalenie technologii, można uzyskać wolumeny i ceny na skalę konsumencką.

SE: Jakie inne trendy widzisz w technologii czujników?

Malinowskiego: Jednym z bieżących punktów dyskusji jest właśnie to – poza widzialnym obrazowaniem. Obecna technologia już teraz doskonale nadaje się do robienia zdjęć. Nowym trendem są czujniki bardziej dedykowane aplikacji. Wynik nie musi być ładnym obrazkiem. Mogą to być konkretne informacje. W przypadku Face ID wynik może wynosić w rzeczywistości jeden lub zero. Albo telefon jest odblokowany, albo nie. Nie musisz widzieć zdjęcia twarzy. Pojawia się również kilka interesujących metod, takich jak spolaryzowane obrazy, które działają jak okulary polaryzacyjne. Widzą lepiej w przypadku niektórych odbić. Istnieją kamery oparte na zdarzeniach, które rejestrują jedynie zmianę sceny — na przykład podczas badania wibracji maszyny lub liczenia osób przechodzących obok sklepu. Jeśli posiadasz system jazdy autonomicznej, potrzebujesz ostrzeżenia, że zbliża się przeszkoda i powinieneś zahamować. Nie potrzebujesz ładnego zdjęcia. Trend ten oznacza znacznie większą fragmentację, ponieważ jest znacznie bardziej specyficzny dla aplikacji. Zmienia to sposób, w jaki ludzie projektują czujniki obrazu, ponieważ patrzą na to, co jest wystarczająco dobre dla konkretnego zastosowania, zamiast optymalizować jakość obrazu. Jakość obrazu jest zawsze ważna, ale czasami potrzebujesz czegoś prostego, co po prostu spełnia swoje zadanie.

SE: Czy ważna jest wiedza, czy to człowiek, czy drzewo, czy wystarczy, że trzeba teraz zahamować?

Malinowskiego: W branży motoryzacyjnej wciąż toczy się debata. Niektórzy ludzie chcą klasyfikować wszystkie obiekty. Chcą wiedzieć, czy to dziecko, rowerzysta, czy drzewo. Niektórzy mówią: „Muszę tylko wiedzieć, czy nie przeszkadza, bo muszę nacisnąć hamulce”. Nie ma więc jednej odpowiedzi.